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과학

음속폭음

kabbala 2009.01.20 07:59
누가 음속폭음에 대해 묻길래 아는척하고 말하려고 보니 의외로 제가 아는게 없더군요. 제가 아는 걸 정리했사오니 블로그에 오시는 분들이 좀 읽어봐주시고 지도해주시면 감사드리겠습니다.

(1) 비행기가 날 때 공기를 가르면서 파동을 일으킨다. 이 파동 중에 인간이 쉽게 식별할 수 있는 것은 음파, 즉 소리일 것이다. 엔진소리도 이 파동과 함께 섞여 퍼진다.

(2) 그런데 이 파동의 속도는 일정하다. 공기의 상태에 따라 결정되는데, 흔히 음속이라고 부르는 속도와 같다. (음파도 파동의 일종이니까) 약 344m/s로, 공기분자의 활성화 정도, 즉 기온에 따라 변화한다. (온도가 높으면 파동의 속도는 빨라진다.)

(3) 비행기 기술이 발달하여 음속, 즉 초속 344m, 시속 1238km 이상의 속도를 낼 수 있게 되었다. 비행기의 속도가 음속보다 빠르면 나중에 발생한 파동이 앞서 발생한 파동보다 먼저 가게 되고, 비행기의 속도가 음속과 같다면 나중에 발생한 파동이 앞서 발생한 파동과 겹치게 된다.

(4) 파동이 중첩되면 진폭이 커지는데, (구체적인 계산은 각자 해보셔요;;;) 음파의 경우 소리의 크기가 매우 커진다.

일반적으로 비행기가 초음속으로 가속하는 중간 단계에서만 순간적으로 음속이 되기 때문에, 소리 역시 순간적인 폭발음처럼 들리므로 이를 '음속폭음'이라고 한다.


* 최초로 음속보다 빠르게 난 비행기는 2차대전 중 미국이 개발한 X-1(1947)인데, 음속폭음에 대해서는 이전에 이미 알고 있었다고 한다:

우선 대포를 쏠 때 화약 소리보다 큰 소리가 난다는 것을 알고 있었고, 프로펠러가 고속으로 회전할 때 어느 순간 소리가 더 커지는 것을 알고 있었다고 한다.

몸집이 큰 공룡의 꼬리가 움직일 때 음속의 속도를 냈을 것이라는 주장을 하는 학자도 있다고 한다.

* 비행기에 구름낀 것처럼 보이는 것은 음속돌파 순간이 아니라 Prandtl–Glauert Singularity라고 하는데, Prandtl–Glauert transformation는 마하 1에서 분모가 0이 되어서 압력이 무한대로 상승하기 때문에 공기가 압축되면서 단열팽창이 일어나 생기는 현상이다. 그러나 수식과는 달리 음속 돌파 순간이 아니라 아음속 비행 중에 일어나며, 폭탄이 폭발할 때도 이런 현상이 일어난다고 한다.

p.s 충격파라는게 뭔지 잘 모르겠어요;;;

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